openTELEMAC

Développé depuis plus de 35 ans par la R&D d’EDF en collaboration avec d’autres organisations françaises, européennes et internationales, le système hydro-informatique openTELEMAC est une suite intégrée de solveurs open source, sous licence GPL v3, destinée à l’étude des écoulements à surface libre. Sa capacité à étudier des problématiques à l’échelle globale, régionale ou locale avec le même système fait d’openTELEMAC un outil précieux pour évaluer l’état environnemental en mer, dans les estuaires, le littoral, les lacs et les rivières.

openTELEMAC a progressivement évolué en une plateforme complète, capable de simuler des systèmes aquatiques réels complexes grâce à ses modules interconnectables : MASCARET, TELEMAC-2D et TELEMAC-3D pour l’hydrodynamique, COURLIS et GAIA pour le transport de sédiments, ARTEMIS et TOMAWAC pour la génération et la propagation des vagues, TRACER et WAQTEL pour la qualité d’eau. Des algorithmes basés sur les méthodes des éléments finis ou des volumes finis sont disponibles.

Les modules hydrayliques

MASCARET

MASCARET résout les équations de Saint-Venant en 1D pour les écoulements à surface libre, avec la possibilité d’intégrer des termes non hydrostatiques. Il s’appuie sur des schémas aux différences finies ou aux volumes finis, adaptés selon la nature de l’écoulement : permanent ou transitoire, fluvial ou torrentiel. Le code permet également de représenter des zones d’inondation partiellement déconnectées du lit principal grâce à l’utilisation de casiers situés le long de la rivière.

 
Assimilation de données avec MASCARET et R sur un tronçon du fleuve Rhône (France) (F. Zaoui (GitHub - fzao/mascaRet)) Références: [GLZeKA12], [GM02]

TELEMAC-2D

TELEMAC-2D résout les équations de Saint-Venant en deux dimensions pour les écoulements à surface libre. Plusieurs modèles de turbulence sont disponibles, et divers termes physiques peuvent être pris en compte, tels que le frottement au fond, la force de Coriolis, les forces générées par la marée, ainsi que les interactions météorologiques (vent, pression atmosphérique, pluie, évaporation). TELEMAC-2D permet également de simuler l’advection-diffusion de quantités physiques telles que la température, la salinité ou la concentration de substances chimiques.

 
Événement d’inondation simulé sur le fleuve Garonne (France) (J.-P. Travert) Références: [Her07], [MDP+11], [HPR17], [MDG+24]

TELEMAC-3D

TELEMAC-3D permet une modélisation tridimensionnelle en s’appuyant sur les équations de Navier-Stokes non-hydrostatiques adaptées aux écoulements à surface libre. À l’instar de TELEMAC-2D, il intègre plusieurs modèles de turbulence et prend en compte une large gamme de phénomènes physiques et de forçages externes. Ce module est également capable de simuler l’advection-diffusion de quantités physiques telles que la température, la salinité ou la concentration de substances chimiques, y compris dans le cas où elles influent sur la densité du fluide.

 
Problème d’échange de fluides à densité différente

 
Coupe transversale dans un méandre (TELEMAC-3D and GAIA coupling) References: [ope23c], [Her07], [MDP+11]

La propagation des vagues

ARTEMIS

ARTEMIS permet la modélisation des vagues en zones côtières et portuaires, sur la base de l’équation dite de Berkhoff (« mild-slope equation » en anglais), initialement proposée par Berkhoff (1972) dans le cadre des écoulements potentiels linéaires (hypothèse de vagues de faible amplitude ou de faible pente). Il s’agit d’un modèle dit « à phase résolue », initialement conçu pour des vagues régulières (c’est-à-dire à période ou fréquence fixe). Le modèle peut également traiter des champs de vagues irréguliers (caractérisés par un spectre fréquentiel d’énergie) et/ou multidirectionnels, par superposition linéaire de calculs élémentaires effectués pour une fréquence et une direction données.

ARTEMIS est adapté à la modélisation des phénomènes affectant la propagation des vagues sur des fonds variables en zone côtière (réfraction, shoaling), des interactions avec des obstacles ou des structures côtières/portuaires (réflexion, diffraction), ainsi que des processus de dissipation d’énergie liés au frottement au fond et/ou au déferlement en eaux peu profondes. Les effets d’un courant ambiant (par exemple dû à la marée) peuvent également être pris en compte. ARTEMIS est particulièrement bien adapté aux études de pénétration et d’agitation des vagues dans les ports, les bassins portuaires, les canaux d’amenée ou de rejet d’eau de mer. Il peut aussi être utilisé pour étudier les risques de résonance (seiches) dans ces bassins.
 

 
Simulation de vagues sur le site archéologique du phare d’Alexandrie Référence: [Ael97]

TOMAWAC

TOMAWAC est basé sur un modèle spectral de troisième génération des états de mer depuis l’échelle océanique jusqu’à l’échelle côtière. Il simule l’évolution spatiale et temporelle du spectre directionnel de l’énergie des vagues, offrant ainsi une description détaillée de l’état de mer. TOMAWAC permet de représenter un grand nombre de processus physiques, notamment la génération des vagues par le vent, leur propagation sur de longues distances à l’échelle océanique, ainsi que les effets liés aux variations de profondeur à l’approche du rivage (réfraction induite par la bathymétrie et/ou par un champ de courant ambiant).

Il prend également en compte les mécanismes de dissipation de l’énergie des vagues (moutonnement, déferlement lié à la bathymétrie, frottement au fond, atténuation par des milieux poreux ou la végétation), ainsi que les transferts non linéaires d’énergie entre fréquences qui redistribuent l’énergie au sein du spectre (quadruplets ou triplets de fréquence). Les champs de vent utilisés comme forçage, ainsi que les caractéristiques du milieu marin (niveau de la mer, courants ambiants), peuvent varier dans l’espace et dans le temps. TOMAWAC peut être utilisé pour plusieurs types d’applications, notamment : la simulation du climat de vagues à partir de champs de vent issus de réanalyses météorologiques ou de modèles de prévision atmosphérique, sur des périodes allant de quelques jours (tempêtes) à plusieurs décennies (bases de données de reconstitution historique), et l’étude de la propagation des vagues en zone côtière, par transfert de conditions de vagues connues au large vers le littoral.

 
Le couplage entre TOMAWAC et TELEMAC-3D permet de simuler le courant de retour induit par le déferlement des vagues Références: [BMB96], [Ben05], [RJAJL18], [TPSB13], [TWB22], [GRBF10], [GRBB11], [LMB+14], [VBVT23], [BMB97], [ABMG98], [JGRBV14]

 
Hauteur significative des vagues simulée dans l’océan indien du 01/01/2000 au 07/01/2000

Le transport sédimentaire

COURLIS

COURLIS, couplé au module MASCARET, propose une modélisation unidimensionnelle du transport sédimentaire dans les rivières et les retenues. L’évolution conjointe du lit de la rivière par charriage des sédiments et de l’écoulement est alors simulée en résolvant un système où les équations de Saint-Venant 1D (hydrodynamique) sont couplées à l’équation d’Exner (charriage). COURLIS prend en charge le transport de sédiments cohésifs et non cohésifs en suspension.

 
Profil longitudinal de la concentration en limons après la vidange d’un réservoir Références: [SUV+18], [CMT+22], [LTMT+22]

GAIA

GAIA est dédié aux problématiques de transport sédimentaire et d’évolution morphologique des rivières, des rivages côtiers, des estuaires et des retenues. Les processus sédimentaires qui interviennent dans la colonne d’eau, dans la structure sédimentaire du lit, ainsi qu’à l’interface entre l’eau et le fond, y sont modélisés.

GAIA gère efficacement la variabilité spatiale et temporelle des classes granulométriques, les propriétés distinctes des sédiments cohésifs et non cohésifs, ainsi que les modes de transport (charriage et suspension) en deux et trois dimensions d’espace.

 
Concentration de sédiments dans un réservoir idéalisé Références: [TBD+23, SFT+17, RST22, CTC+20, HLJ23, LBM+, Bro]

La qualité de l'eau

TRACER

TRACER, couplé au module unidimensionnel MASCARET, permet la modélisation des processus de transport de substances dissoutes, comprenant l’advection, la dispersion, ainsi que la réduction ou la génération de masse par des mécanismes physiques, chimiques ou biologiques. TRACER peut simuler l’évolution de plusieurs traceurs couplés, sans rétroaction sur l’écoulement, en fonction des conditions hydrauliques, des conditions aux limites, des sources externes et des interactions biochimiques entre traceurs.

 
Simulation du réchauffement net de l’eau le long du fleuve Rhône dû au fonctionnement des installations nucléaires (de bas en haut : de l’amont vers l’aval ; de gauche à droite : du 1er janvier au 31 décembre 2017 ; voir détails ici). Références: [GEKAZ+12], [EAZ15]

WAQTEL

WAQTEL, couplé au module TELEMAC-2D ou à TELEMAC-3D, permet de simuler des processus biochimiques et thermiques au sein des masses d’eau dans l’environnement. WAQTEL comprend un modèle complet d’échanges thermiques entre l’eau et l’atmosphère, des processus liés aux cycles de l’oxygène, des algues, de l’ammoniac et des phosphates, ainsi que ceux relatifs à la biomasse et aux micropolluants en suspension ou dissous. WAQTEL est principalement issu d’une adaptation du module TRACER à TELEMAC-2D et TELEMAC-3D. Un couplage avec la bibliothèque AED2 (aquatic.science.uwa.edu.au/research/models/AED/) est également disponible pour des simulations de qualité de l’eau plus avancées.

 
Évolution de l’oxygène dans une lagune [JBPVH21] Références: [ope23d], [HBH13]

KHIONE

KHIONE modélise la quantité de glace en suspension (frasil) et de la couverture de glace en prenant en compte les échanges thermiques entre l’eau, l’air et la concentration de frasil, les processus de congélation et la formation de la couverture de glace, ainsi que les effets de cette couverture sur l’écoulement (par exemple pour étudier le risque d’obstruction de grilles filtrantes).

 
Simulation de la concentration de frasil dans le fleuve Saint-Laurent (a) selon [ope23b] et validation de la surfusion avec les expériences de Carstens (b) selon [SGM23] Références: [BHSA18], [STEM20], [SGM23], [ope23a]

Au sein du système openTELEMAC est également distribué un ensemble de scripts écrits en Python qui offrent différents services pour affronter les défis posés par les problèmes complexes du monde réel. Ils s’appuient sur l’interface de programmation d’application (API) en Python, appelée TelApy.

 
Écosystème de l’API openTELEMAC [GAZ22] Références: [AFF+19], [GAZ22]